Die vorliegende Erfindung betrifft verschleißbeständige Beschichtungen für Kolbenringe, insbesondere Kolbenringe für Motoren mit großem Kolbendurchmesser, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Ringe.
Großvolumige Verbrennungsmotoren kommen meist stationär oder als Schiffsmotoren zum Einsatz. Aufgrund der damit verbundenen langen Betriebszeiten werden an die Verschleißbeständigkeit der darin eingesetzten Komponenten besonders hohe Anforderungen gestellt. Dies trifft insbesondere auf die Kolbenringe zu, die im Betrieb hohen Belastungen durch reibenden Verschleiß unterliegen und deren Austausch wegen der notwendigen Stillstandzeit aufwendig und kostspielig ist.
Der reibende Verschleiß der Kolbenringe erfolgt einerseits an der Ringlauffläche, die in Kontakt mit der Zylinderwand steht, und andererseits an den Ringflanken, die mit den Wänden der Ringnut des Kolbens in Berührung kommen. Bekanntermaßen liegt im Falle eines Kompressionsrings beim Arbeitstakt die untere Ringflanke, d.h. die vom Brennraum abgewandte Flanke, an der unteren Nutwand an, wobei Verbrennungsgase durch den Spalt zwischen oberer Ringflanke und oberer Nutwand hinter den Kolbenring in den Raum zwischen Nutboden und Ringinnenseite strömen. Dadurch wird ein Druck auf den Ring erzeugt, der zu einer nach außen gerichteten Kraft auf den Ring führt, welche die Dichtwirkung zwischen Ringlauffläche und Zylinderwand verstärkt. Ein Verschleiß der Ringflanke führt dazu, dass Verbrennungsgase zwischen unterer Ringflanke und Ringnutwand hindurch auf die brennraumabgewandte Seite des Kolbenrings gelangen können, womit auch der Druck auf den Ring verringert wird und somit zusätzlich die Dichtwirkung zwischen Ringlauffläche und Zylinderwand beeinträchtigt wird.
Um eine hohe Dichtwirkung über einen langen Betriebszeitraum zu gewährleisten ist es also nicht nur notwendig die Ringlauffläche des Kolbenrings verschleißbeständig zu gestalten, sondern auch die Ringflanken müssen eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweisen. Hierzu ist aus dem Stand der Technik ein Härten oder ein Verchromen der Ringflanken bekannt.
Aufgrund immer strengerer Umweltauflagen und dem Wunsch eines möglichst niedrigen Treibstoffverbrauchs ergibt sich die Aufgabe die tribologischen Eigenschaften, d.h. Verschleiß, Reibung und Korrosion, von Kolbenringen für insbesondere Großkolbenmotoren weiter zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird das Problem durch einen Kolbenring gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 gelöst.
Erfindungsgemäß gelöst wird das Problem weiter durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings mit ledeburitisch umgeschmolzenem Graugussgefüge gemäß einem der Ansprüche 8 bis 15.
Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Figuren genauer beschrieben.
Im Folgenden werden sowohl in der Beschreibung als auch in der Zeichnung gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Elemente oder Komponenten verwendet. Es ist zudem eine Bezugszeichenliste angegeben, die für alle Figuren gültig ist. Die in den Figuren dargestellten Ausführungen sind lediglich schematisch und stellen nicht die tatsächlichen Größenverhältnisse dar.
Die Gefügeausbildung eines Eisengusswerkstoffs wird, außer durch die Legierungsbestandteile, wesentlich durch die Abkühlungsbedingungen beim Erstarren des Materials bestimmt. Das resultierende Gefüge, d.h. die auftretenden Phasen und deren Verteilung, bestimmt bei Gebrauchstemperatur die mechanischen Eigenschaften eines aus einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung bestehenden Werkstücks maßgeblich.
Erstarrt Gusseisen langsam im thermodynamischen Gleichgewicht entsteht hauptsächlich ein Gefüge aus Eisen (Fe) und Graphit (C), dieses wird als Grauguss bezeichnet, wobei man, je nachdem in welcher Gestalt der Graphit vorliegt, zwischen lamellaren Gusseisen, vermikularen Gusseisen und Gusseisen mit Kugelgraphit unterscheidet. Bei schnellerem Erstarren entsteht ein metastabiles, sogenanntes ledeburitisches Gefüge (Ledeburit-Gefüge), das aus Eisen und Eisencarbid (Fe3C, Zementit) besteht, sogenannter Weißguss. Das ledeburitische Gefüge weist eine höhere Härte auf als Grauguss und unterliegt entsprechend geringerem Verschleiß, während Grauguss über eine höhere Zähigkeit verfügt und entsprechend weniger anfällig für Bruch bzw. Rissausbreitung ist.
Um einen langlebigen Kolbenring gemäß der vorliegenden Erfindung zu erhalten wird das Graugussgefüge eines Ringkörpers zumindest teilweise an einer Ringflanke in ein Ledeburit-Gefüge umgeschmolzen und an der Ringlauffläche zusätzlich mit einer Verschleißschutzschicht überzogen, die auch an der Ringlauffläche freiliegendes Ledeburit-Gefüge bedeckt. Das Ledeburit-Gefüge wird erzeugt indem die Oberfläche des Ringkörpers zunächst an den entsprechenden Stellen erhitzt wird, um es teilweise aufzuschmelzen, und nachfolgend gewartet wird bis der Werkstoff wieder abkühlt. Da der Ringkörper nur an der Oberfläche aufgeschmolzen wird, im Inneren jedoch noch kühl und fest ist, findet eine "Selbstabschreckung" statt, bei der der geschmolzene Bereich relativ schnell abkühlt und so ein Bereich aus Ledeburit-Gefüge an der Oberfläche entsteht.
In
Der Bereich aus Ledeburit-Gefüge 4 kann sich über die gesamte Ringflanke erstrecken. Alternativ ist vorgesehen, dass ein radial innerer Bereich der Ringflanke kein Ledeburit-Gefüge aufweist, wobei sich dieser radial innere Bereich bevorzugt über 1/3, weiter bevorzugt über 2/3, einer radialen Dicke des Ringkörpers erstreckt. Es wird also bevorzugt der äußere, besonders stark beanspruchte Ringflankenbereich mit einer Schicht aus Ledeburit versehen. Einen ähnlichen Effekt hat eine Variation einer Tiefe des Ledeburit-Gefüges in radialer Richtung, wobei hier entsprechend bevorzugt ist, dass die Tiefe radial nach außen zunimmt.
Im Allgemeinen, abgesehen von Übergangsbereichen zu eventuellen Bereichen ohne Ledeburit, beträgt die Tiefe des Ledeburit-Gefüges zwischen 0,15 mm und 1,0 mm, bevorzugt zwischen 0,3 mm und 0,7 mm. Diese Gestaltungsmöglichkeiten erlauben es, einen optimalen Kompromiss zwischen erwünschter Zähigkeit des Ringkörpergraugussgefüges und Verschleißfestigkeit des spröden Ledeburit-Gefüges zu erreichen. Um in Umfangrichtung unterschiedlichen Belastungen zu begegnen ist eine Variation der Tiefe des Ledeburit-Gefüges in Umfangrichtung denkbar, bevorzugt ist hier eine Tiefe, die an den, bzw. in Richtung der, Stoßenden zunimmt, um einem an den Stoßenden stärker auftretenden Verschleiß vorzubeugen.
In
Da sich die Verschleißschutzschicht 6, bevorzugt durchgehend, über die Ringlauffläche 10 und den sich bis zur Ringkante erstreckenden Bereich aus Ledeburit-Gefüge 6 erstreckt, liegt an der Ringkante zwischen Ringlauffläche und Ringflanke kein außenliegendes Graugussgefüge vor, das gegebenenfalls anfällig für Verschleiß und Korrosion wäre. Der Aufbau mit einer unter der Verschleißschutzschicht liegenden Ledeburit-Gefüge-Schicht bietet den weiteren Vorteil, dass, wenn die äußere Verschleißschutzschicht an einer Stelle abgenutzt ist, die Schicht aus Ledeburit-Gefüge als Rückhalt dient, der einen von dieser Stelle aus fortschreitenden Verschleiß unterbindet. Die Verschleißschutzschicht liegt in Form einer thermischen Spritzschicht, einer Chromdispersionsschicht, oder auch einer anderen physikalischen Beschichtung, z.B. einer PVD- oder DLC-Schicht, vor; hier ist PVD: Physical Vapor Deposition, physikalische Gasphasenabscheidung, und DLC: Diamond-Like Carbon, diamantartiger Kohlenstoff. Es ist auch möglich, eine Hartstoffbeschichtung mittels Laser aufzutragen.
Die Kante zwischen Ringflanke 8 und Ringlauffläche 10 ist in
Ein Radius der Abrundung liegt im Bereich von 1 mm bis 3 mm, wobei hier im Allgemeinen die Abrundung nicht einen konstanten Radius hat, sondern in der Mitte einen kleineren Radius haben wird und dann flacher wird und mit größerem Radius in die Ringlauffläche und die Ringflanke übergeht. Insbesondere kann die Abmessung von Fase bzw. Abrundung (d.h. hier der Radius) in Umfangrichtung variieren. Ist der Kolbenring mit einer Innenfase versehen, so kommt es aufgrund der Querschnittsstörung unter Spannung (im eingebauten Zustand) zu einem Twisten (Verdrehen) des Ringkörpers. Dieser Twist wirkt sich am Ringrücken stärker aus als an den Stoßenden, was zu Spannungsunterschieden in Umfangrichtung in der Verschleißschutzschicht führen kann, was eventuelle Beschädigungen begünstigt. Durch eine Variation der Abmessung der Fase bzw. Abrundung in Umfangrichtung kann dies ausgeglichen werden.
Weiterhin können auch die Stoßflächen Bereiche aus Ledeburit-Gefüge aufweisen, die sich bis zur Kante Stoßfläche/Ringlauffläche erstrecken. Die entsprechenden Bereiche aus Ledeburit werden wieder mit einer Verschleißschutzschicht versehen. Ist auch die Ringlauffläche mit Ledeburit-Gefüge versehen, wird erreicht, dass auch an den radial außenliegenden Kanten der Stoßflächen kein Graugussgefüge freiliegt, womit ein von dort ausgehender Verschleiß verhindert werden kann. Hierbei können die gesamten Stoßflächen aus Ledeburit-Gefüge bestehen; wobei bevorzugt ist, dass ein radial äußerer Bereich der Stoßflächen, der sich über 2/3 der radialen Dicke des Ringkörpers erstreckt, aus Ledeburit-Gefüge besteht, weiter bevorzugt ist, dass ein radial äußerer Bereich der Stoßflächen, der sich über 1/3 der radialen Dicke des Ringkörpers erstreckt, aus Ledeburit-Gefüge besteht.
Um einen erfindungsgemäßen Kolbenring herzustellen wird zunächst ein Ringkörper aus Grauguss hergestellt, d.h. beim Gießen erfolgt das Erstarren der Eisen-Kohlenstoff-Legierung im thermodynamischen Gleichgewicht, so dass ein Graugussgefüge entsteht. Nachfolgend wird an mindestens einer Ringflanke der Bereich an der Oberfläche, der mit einem Ledeburit-Gefüge versehen werden soll, erhitzt und aufgeschmolzen. Das Erhitzen kann durch Bestrahlen mit hochenergetischer Strahlung erfolgen, wobei zum Beispiel ein Laserstrahl, ein Elektronenstrahl, Lichtbogenschweißen, Plasmaschweißen oder Wolfram-Inertgas-Schweißen zum Einsatz kommt. Hierbei wird im Allgemeinen nicht der gesamte Bereich auf einmal erhitzt, da z.B. ein dafür verwendeter Laserstrahl einen Durchmesser von ca. 1 mm bis einige 10 mm hat, sondern es wird jeweils an einer Stelle erhitzt und der gesamte umzuschmelzende Bereich wird durch eine relative Bewegung von Ring und hochenergetischer Strahlung überstrichen. Dies kann dadurch geschehen, dass die Strahlungsquelle bewegt wird, z.B. mittels eines Roboterarms, oder dadurch, dass der Ring drehbar gelagert ist und gedreht wird, um einen kreisförmigen Bereich zu überstreichen, was auch eine einfache Variation der Tiefe des Umschmelzungsbereichs in Umfangrichtung ermöglicht. Die Tiefe des Umschmelzungsbereichs wird durch den Energieeintrag bestimmt.
Ein Abkühlen erfolgt durch Selbstabschreckung, es wird also kein Abschreckmedium verwendet. Dieses Abkühlen erfolgt relativ schnell, so dass ein Ledeburit-Gefüge entsteht und bei dem oben beschriebenen Vorgang eine Stelle des Kolbenrings bereits abgekühlt sein wird, während andere Stellen erst noch erhitzt werden.
Der mindestens eine Bereich der Ringflanke, der umgeschmolzen werden soll, ist so gewählt, dass er sich bis zur Kante zwischen Ringflanke und Ringlauffläche erstreckt. Neben den Ringflanken ist es auch möglich, die Ringlauffläche mit einem Ledeburit-Gefüge zu versehen, d.h. diese auch zu erhitzen.
Zum Abbau eventuell durch das Erhitzen und nachfolgende Abkühlen entstandener Spannungen im Ringkörper kann nach dem Abkühlen des Ringkörpers ein Spannungsarmglühen durchgeführt werden. Dies erfolgt bei einer Temperatur von 450 °C bis 600 °C, bevorzugt von 500 °C bis 540°C, weiter bevorzugt von 510 °C bis 530°C, über eine Zeitdauer von 1 Stunden bis 4 Stunden, bevorzugt von 1,5 Stunden bis 3 Stunden, weiter bevorzugt von 1,8 Stunden bis 2,3 Stunden, gefolgt von einem erneuten Abkühlenlassen. Ein Aufschneiden des Ringkörpers erfolgt bevorzugt nach dem Spannungsarmglühen.
An der Ringlauffläche 10 wird dann Material abgetragen bis ledeburitisch umgeschmolzenes Graugussgefüge an der Ringlauffläche freiliegt. Anschließend wird eine Verschleißschutzschicht auf die Ringlauffläche einschließlich der dort freiliegenden Ledeburit-Gefüge-Bereiche aufgetragen.
Weiterhin kann beim Schritt des Umschmelzens auch die Ringlauffläche 10 umgeschmolzen werden, so dass auch an dieser ein ledeburitisch umgeschmolzenes Graugussgefüge vorliegt. Da in diesem Fall bereits Ledeburit-Gefüge an der Ringlauffläche freiliegt, erfolgt hier das Abtragen von Material an der Ringlauffläche bis die gewünschte Form erreicht ist, bzw bis beim Umschmelzen auftretende Verformungen, insbesondere an den Kanten, beseitigt sind.
Alternativ kann ein Umschmelzen der Ringlauffläche in ein Ledeburit-Gefüge nach dem Abtragen von Material an der Ringlauffläche erfolgen (und vor dem Aufbringen der Verschleißschutzschicht). Hierbei wird an mindestens einer Kante zwischen Ringlauffläche 10 und Ringflanken ein schmaler Bereich nicht erhitzt, d.h. das bereits durch das Abtragen an der Ringlauffläche freigelegte Ledeburit (von dem umgeschmolzenen Bereich an den Ringflanken) wird nicht erneut geschmolzen. Gegebenenfalls kann nachfolgend ein Spannungsarmglühen erfolgen.
Es ist auch hier möglich, nicht die gesamte Ringlauffläche mit ledeburitisch umgeschmolzenen Graugussgefüge zu versehen, sondern lediglich Teilbereiche, etwa bei einer balligen Ringlauffläche den umlaufenden Bereich, der radial am weitesten außen liegt, der also mit der Zylinderwand in Kontakt kommt.
Sollen Kanten mit Fasen oder Abrundungen versehen werden, so erfolgt dies nach dem Umschmelzen des Graugusses in ein Ledeburit-Gefüge.
Als möglicher weiterer Verfahrensschritt nach dem Umschmelzen des Bereichs der mindestens einen Ringflanke des Ringkörpers ist ein Abschleifen der Oberfläche der mindestens einen Ringflanke auf eine Rauheit von Ra 0,5 - 1,0 µm vorgesehen. Dadurch wird der Verschleiß an Ringflanke und Nutwand weiter verringert. Bevorzugt werden beide Ringflanken abgeschliffen. Eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit wird durch den abschließenden Schritt eines Phosphatierens des Ringkörpers bzw Aufbringen einer Phosphatschicht erreicht.
In
In
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.